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Der Wirkungsquerschnitt von Gasmoleklen gegenber Alkaliionen von 1 - 30 Volt Geschwindigkeit.

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4% 17
1928
ANNALEN DER PHYSIK
VIERTE FOLBE. BAND 87
1. Der W6rkungsquerschm$tt
von Qasmolek~lvngegmdiber Alkald4omm
V O 1-30
~
POLt GeSchWhddgkdt;.
von C a r l Ramsauer und O t t o Beeok
Inhaltsubersicht: I. Prinzip der Methode. 11. Anordnung im
einzelnen (Erzeugung der Ionen - MeBeinrichtung - Magnetfeld Elektrometer, Pumpe, Vakuummeter - Versuchsgaae). 111. Measung im
einzelnen (Ionengeachwindigkeiten - Ionenmengen - Gasdruckfragen).
IV. MeBergebnisse (MeBbeispiel - Wirkungsquerschnittven). V. Diskussion der Mekrgebnisse (Vergleich mit den entsprechenden Egebnissen
an Elektronen - Zur Frage etwaiger Umladungen - Vergleich unserer
Ionenradien mit anderweitig ermittelten Ionenradien - Vergleich unserer
Gasmolekiilradien mit den gaskinetischen Radien - Ionenwirkungsradien
und Gasmolekiilgr6Be). Zusammenfassung.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit l) ist die experimentelle
Festlegung des Wirkungsquerschnitts neutraler Gasmolekule
gegenuber langsamen Alkaliionen. Unsere Versuche entsprechen
daher formell den Messungen iiber den Wirkungsquerschnitt
neutraler Gasmolekule gegenuber langsamen Elektronen und
bilden sachlich einen AuslSiufer der Kanalstrahlphysik nach
kleinsten Geschwindigkeiten hin. Zu der vie1 behandelten
Frage der AlkaliionengroSe liefern sie insofern einen neuartigen
Beitrag, als der Wirkungsradius des Ions gegenuber einem
neutralen Partner bestimmt wird und als die Untersuchung
im gasformigen Zustand erfolgt.
I. Prinaip der Xethode
Die MeBeinrichtung entspricht im wesentlichen der magnetischen MeBanordnung, wie sie der eine von uns bei seinen
Elektronenuntersuchungen benutzt hat.2) In Fig. 1 ist F die
l) Im Auszug vorgetragen auf dem IV. Deutschen Physikertag.
1927.
Phys. Ztschr. 28, S. 858-64.
2, C. Ramsauer, Uber den Wirkungsquerschnitt der Gasmolekiile
gegenuber langsamen Elektronen (I. Fortsetzung). Ann. d. Phys. 66,
S. 546. 1921.
Annalen der Physik. IV. Folge. 87.
1
C. Ramsauer u. 0. Beeck
2
noch niiher zu besprechende Ionenquelle. Die von ihr emittierten
Ionen werden durch ein elektrisches Feld, E. B. 4 Volt, beschleunigt und auf dem punktiert gezeichneten Kreis durch ein
kriiftiges, senkrecht zur Zeichenebene st'ehendes Magnetfeld
herumgefuhrt. Gemessen werden im ganzen 4 Werte, namlich
die beiden Elektrizitatsmengen i,, J!, welche bei einem kleineren
Gasdruck pI, und die beiden Elektrizitatsmengen i,, J,, welche
Elektomete~
f/ekttmeter
I
i
I
I
0
I
5
7
I
1
I
I
Cm
I
I
I
MeEanordnung. Weg w von F bis zum Eingang von K",
Weg W vou F bia zum Eingang von E,,
Fig. 1
bei einem groI3eren Gasdruck p,,
nach Durchlaufung des
kleineren oder grol3eren Weges w bew. W bis zum Eingang
des vorderen und des hinteren Kafigs (K, bzw. K h ) gelangen,
also entweder in beiden Kafigen zusammen oder nur in dem
hinteren Kiifig gemessen werden. Daraus 1aBt sich dann in bekannter Weise die Beeinflussung der Ionen durch die Gasmolekule
langs des Kreisbogens W - w im vorderen Kafig bestimmen
und der wirksame Querschnitt des betreffenden Gases gegenuber den betreffenden Alkaliionen berechnenl), wahrend die
1) C. Ramsauer, Uber den Wirkungsquerschnitt der Gasmolekiile
gegenuber langsamen Elektronen. Ann. d. Phys. 64, S. 522. 1921.
Der Wirkungsquerschnitt von Gasnaobkiilen usw.
3
zugehorige Geschwindigkeit durch das benutzte magnetische
Feld gegeben ist. Es ist y, d. h. die wirksame Querschnittssumme aller Molekule fur 1 ccm und 1 mm Druck bei 00 C,
in em2 gegeben durch die Gleichung:
Dieses q entspricht dem gesamten Querschnitt der Molekule,
welcher in irgendeiner Weise das Ion aus der Kreisbahn ausschaltet, sei es durch Absorption oder durch Ablenkung oder
durch Geschwindigkeitsverlust oder endlich durch Umladung.
Dabei mu6 aber betont werden, daI3 Ablenkung und Geschwindigkeitsverlust nur bei unendlich schmalen Spalten
durch die Messung voll erfaBt werden, so daB also bei endlichen
Spalten der Wirkungsquerschnitt immer zu klein ausftillt. Die
GroBe dieses Fehlers 16Bt sich nicht angeben, solange nicht die
Einzelwirkungen naher bekannt sind. Ionen unterhalb eines gewissen mittleren Ablenkungswinkels bleiben ohne EinfluB auf die
Berechnung von q. Bei den von uns benutzten Dimensionenergibt
sich dieser Winkel im Mittel zu etwa 60, wobei es sich aber nur
um eine rohe, mehr oder minder willkurliche Schiitzung handelt.
Im Gegensatz zu den Wirkungsquerschnittsmessungen
gegeniiber den punktformigen Elektronen spielt hier der wirkende
Querschnitt des Ions die gleiche Rolle wie der wirkende Querschnitt des Gasmolekuls. Das Ion und das Gasmolekul werden
sich also nur dann nicht beeinflussen, wenn der Abstand ihrer
Mittelpunkte mindestens gleich der Summe der Wirkungsradien ist. Die mathematischen Verhtiltnisse lassen sich am
besten nach Analogie der kinetischen Gastheorie veranschaulichen, wo zur Vereinfachung der Rechnung nach Clausius
bekanntlich so verfahren wird, ale st6nde ein punktformiger
Partner einem Partner von doppeltem Radius gegenuber.
Ebenso konnen wir in unserem Falle das Ion als punktformig
einem Partner gegeniibergestellt denken, dessen Radius gleich
der Summe der Radien des Gasmolekuls und des Ions ist. Der
Querschnitt dieses Partners ist dann der gegenseitige Wirkungsquerschnitt. Bezeichnet man mit r, und ri die Wirkungsradien
des Molekuls bzw. des Ions und mit n die Anzahl der Molekule
in ccm bei 1 mm Druck und O O C , so besteht die Beziehung
1*
4
C . Ramsauer u. 0 . Beeck
Gemessen wird unmittelbar das q nach Formel (l),die Summe
der Wirkungsradien lafit sich dann nach Formel ('2) berechnen,
aber nur als Ganzes, also ohne dal3 die Einzelsummanden fur sich
bestimmt oder auch nur als selbstandige GroBen gedacht werden
konnen.1)
11. Anordnung im einselnen
Erzeuguitg deT I o n e n . - Zur Erzeugung der Ionen dient
ein mit Alkaliamalgam durchtrankter, elektrisch gegluhter
Platin- oder Platin -Iridiumstreifen \-on 2 mm Breite und
l/loomm Dicke. Die Herstellung
geschah folgendermal3en: I n der
unteren Halfte einer kleinen
Stahlbombe, deren GroBe sich
aus Fig. 2 ergibt, befindet sich
eine Legierung von Quecksilber
und Alkalimetall. Bei den billigeren Alkalien wurde die Legierung so gewiihlt, dal3 sie der
eutektischen Mischung entsprach und damit den niedrigsten Erstarrungspunkt des Gemisches hatte.2) Dagegen enthielten die Amalgame des
Casiums und Rubidiums nur
einige Zehntel Gewicht sproIn der
zente Alkalimetall.
oberen Halfte der kleinen
Bombe sind zwei Streifen
Platin a, 2, montiert. Diese
Bombe nird in einem BleiZinnbade auf etwa 3300 C erVorrichtung zur Amdgamierung
hitzt und d a m eine kurze Zeit,
Fig. 2
meistens 20 Sek., umgedreht,
so da8 die Platinstreifen voii dem heil3en Amalgam umspiilt
werden. Die Zeit war so gewahlt, daB die Platinstreifen einerseits moglichst vie1 Amalgam aufnahinen, andererseits nicht
zu briichig wurden.
1) Vgl. in dieser Beziehung auch die Erorterungen auf S. 23.
2) VgLLandol t-Borns t e i n : Tabellen. 5. Auflage. 1. Bd. 1923. S.525.
Der Wirkungsquerschnitt von Gasmolekulen usw.
Mepeiwrichtung. - Das
MeBkLstchen, dessen Gesamtatxsdehnungenund Einzelteile
sich aus Fig. 1 ergeben, ist aus
sauber geschmirgeltem Messingblech hergestellt. Besondere Sorgfalt ist darauf verwandt worden,beiZusammensetzung die Einzelteile nicht
mit den Fingern zu beriihren. Der mittlere Radius
der Kreisbahn war 1,35 cm.
Die LBnge des bei der
Messung in Betracht kommenden Bogens im vorderen
Kiifig (W -w) betrug 2,06cm,
die Spaltbreite 0,15 em und
die Spalthohe 0,8 om. Das
vorderste von den Ionen zu
durohlaufende Fach zwischen
den Spalten 1 und 2 war
nach auBen hin nur durch
ein Gitter von diinnen
DrLhten statisch geschutzt,
wodurch storende Reflexionen und Raumladungen an
dieser Stelle vermieden wurden. Bevor die Ionen in
den vorderenl MeBkiifig gelangen, ist ihre Kreisbahn
I
cm
r0
5
p
:;;...
M
20
,
30
Fig. 3 a. Anordnung der Magnetepulen
6
C. Ramsauer u. 0. Beeck
durch die Spalten 1, 2, 3 definiert. Spalt 5 liegt ebenfalls auf
diesem Kreis. Die Offnungen 4 und 6, die zur Definition des
Strahlenbundels nicht beitragen sollen , sind etwas groBer in
den Ausmessungen, damit sie nicht storend wirken.
Das MeBkastchen war zur Evakuierung in einem enganschliefienden, elliptisch gestalteten Kupferzylinder untergebracht, um die Magnete moglichst nahe an das eigentliche
MeBkastchen heranfuhren zu konnen (Fig. 3a). Die beiden,
auf einem besonderen Messinghalter montierten Gluhfolien F ,
von denen die zweite als Reserve dient, wurden durch den
Schliff X (Fig. 3) eingefuhrt und befanden sich etwa 2 mm
vom Spalt 1. Beide Folien kreuzten den Spalt und waren von
oben her durch den kugelformigen Glasansatz A zu beobachten.
Die Anordnungen des Rohransatzes P zur Pumpe und des
Kuhlrohres K gehen aus der Fig. 3 hervor. Leteteres diente
bei Kuhlung mit fluasiger Luft zur Kondensation des Quecksilberdampfes und der Fettdampfe. Eine in der Leitung zur
Pumpe vorgesehene, mit flussiger Luft gekiihlte Quecksilberfalle envies sich als uberflussig. Zur Vermeidung unnotiger
Kittstellen waren der Ansatz M zum Me Leod-Vakuummeter
und die Gaszufuhrung G durch das Kuhlrohr gefuhrt. Die
eigentumliche Anordnung ist auBerdem durch das Messen im
stromenden Gase bedingt (vgl. S. 13). - Samtliche Metallteile der Apparatur mit Ausnahme der beiden MeBkBfige und
des Folienhalters waren geerdet. Die Isolation der MeBkafige
mit den Elektrometerleitungen geschah, wie ublich, durch
Bernstein. Die Mitte der Gluhfolie war zur Beschleunigung der
Ionen mittels einer entsprechenden Schaltung auf ein gegen
Erde positives Potential geladen.
Magnetfeld. - Das Magnetfeld, das in Figg. 1 und 3 senkrecht zur Zeichenebene zu denken ist, wird von zwei mit Eisenkernen versehenen koaxialen Spulen erzeugt, zwischen denen
sich das in den Kupfermantel eingeschlossene Mefikastchen befindet (Fig. 3a). Die anzulegende Feldstarke schwankte je nach
dem Atomgewicht des abzulenkenden Teilchens und je nach
seiner Geschwindigkeit zwischen 400 und 4000 Gauss. Die
Lange der Einzelspule, die mit etwa 20 Lagen eines 2,2 mm
dicken Kupferdrahtes bewickelt ist , betragt 35 em, ihr
innerer Durchmesser 11 em, der Abstand zwischen den
Polen 6,3 an.
Der Wirkungsquerschnitt vo?t Gasmolekulen usw.
7
H wurde als Funktion der Stromstarke J in Amp. nach
bekannter Methode fur die kernfreien Spulen gefunden zu
49,5 Gauss/Amp., fur die Spulen mit eingesetzten Einsenkernen
#00
mt fisenkpmen
3000
o fichpunkte
a K#nff#/punkte
2000
7000
%
c3
I
2
4
6
8
70
72
----Am0
74
76
Magnetfeldeichung
Fig. 4
entsprechend der Kurve o o in Fig. 4 (uber die Kontrollpunkte A A in der Figur vgl. S. 11).
Elektrometer, P u m p , Vakuummekr. - Bei der Wahl der
Elektrometer muBte nicht nur auf gute Empfindlichkeit,
sondern vor allem auf die Moglichkeit zu raschem Arbeiten
gesehen werden. Beide Eigenschaften vereinigten in bester
Weise zwei Saitenelektrometer nach L u t z - E d e l m a n n mit
Quarzbugel; bei einer Hilfsspannung von 2 x 150 Volt betrug
die benutzte Einpfindlichkeit 200-300 Skt./Volt. Bei den
Messungen wurde auf strenge Proportionalitat der Ausschlage
C. Rantsauer u. 0. Beeck
8
als Funktion der Aufladung gesehen, was sich fur jede gewiinschte Empfindlichkeit durch Anpassung der Backenstellung
an die Fadenspannung erreichen lafit.
Die Evakuierung der Apparatur geschah mittels einer
dreistufigen Gae deschen Stahlpumpe. Als Vorpumpe wurde
eine rotierende Gaedekapselpumpe verwendet. Schwierigkeiten
beim Arbeiten im Gasstrom (vgl. S. 13) sind bei Verwendung
dieses Aggregates hoher Saugleistung nicht aufgetreten.
Zur Messung des Vrtkuums wurde ein Me Leod-Vakuummeter verwendet, dessen gunstigster MeBbereich zwischen
3.10-2 und 1-10-4 mm Hg lag.
Versuchsgase. - Die benutzten Edelgase wurden uns von
den Firmen ,,Linde, A.-G.", Hollriegelskreuth bei Munchen,
und ,,Griesheim Elektron", Griesheim, zur Verfugung gestellt,
wofur wir auch an dieser Stelle unseren besten Dank aussprechen
mochten. - Die Nichtedelgase wurden den Gasvorrhten des
Instituts entnommen, welche sich fur die verschiedenen Arbeiten
uber den Wirkungsquerschnitt neutraler Gasmolekule gegenuber langsamen Elektronen im Laufe der Zeit angesammelt
haben.l)
111. Messung im einselnen
lo~eizgeschwindigkeiten. - Fur die Ionen von der linearen
Geschwindigkeit v und der Voltgeschwindigkeit P, der Ladling e
und der Masse m, welche unter dem EinfluB des Feldes H auf
dem Kreise mit dem Radius e in die Auffangekafige gelangen,
gelten die bekannten Gleichungen:
mum
e v = __
(3)
m
va =: e
2
(4)
9
e '
P lo8.
a
Aus (3) uiid (4) kann die Voltgeschwindigkeit oder, was wir
zuniichst wegen der Proportionalitiit mit H vorziehen, die Gegefunden werden nach der Gleichung:
sohwindigkeit in I/=
*
p = p w em . 10'8,
(5)
wenn man H und
Elementen wahlt.
e miBt und
elm entsprechend den benutzten
1) Vgl. u. a. E. Briiche, Ann. d. Phys. 83, S. 1079. 1927.
Der Wirkungsquerschnitt von Gasmolekiilen usw.
9
Die richtige Wahl von elm kann gepruft werden, wenn
man P zuniichst als annahernd gleich der benutzten Beschleunigungsspannung P' einsetzt .
Als Beispiel fur eine solche Priifung seien einige Geschwindigbeitsverteilungskurven wiedergegeben, wie man sie
Kaliumamalgam
Fig. 5
erhalt, wenn man bei gegebener Beschleunigungsspannung und
Gluhstromst&rke das Magnetfeld allmahlich steigert.
Die Kurve (Fig. 5 ) zeigt, daB wir es bei dem hohen
Maximum mit einfachen positiv geladenen Kaliumionen zu tun
haben, und daB unsere Messungen an der Stelle des K+Maximums durch die Beimengungen, welche sich in dem
zweiten niedrigeren Maximum zeigen, nicht gestort werden.
10
C . Ramsauer u. 0. Bee&
In Fig. 6 haben wir ein Na+-Maximum und daneben ein
noch hoheres K+-Maximum, welch letzteres durch geringe Beimengungen zum Natrium bedingt ist und hier nur deshalb so
ubertrieben stark hervortritt, weil die Gluhtemperatur fur Na+
noch zu niedrig ist; bei steigender Gluhtemperatur tritt das K+
bald hinter dem Na+ ganz zuriick.1)
Die Kurven zeigen aufierdem, da13 man auch bei gleichzeitigeni Vorhandensein der nachst benachbarten Alkalien bei
-Amp
fMag @/d) .
Frisches Natriumamalgam; geringe Gliihstromstarke
Fig. 6
Einstellung auf ein bestimmtes Magnetfeld doch mit einor
Ionenart allein rechnen darf.
1) Die fiinf Alkalien zeigten beim Gliihen ein typisches Verhalten:
Wahrend bei Li der Anfang der Emission erst bei heller WeiBglut einsetzt,
wurde beim ubergang zu hoheren Atomnumrnern die f i i r die Emission
erforderliche Temperatur immer niedriger, so daB bei Cs die Emission
schon kurz vor Beginn der Rotglut auftrat. Ebenso wuchs auch die
Intensitiit der Emission mit der Atomnummer des Alkaliions stark an.
Die Sohwierigkeiteh waren infolgedessen bei den Alkalien Li und Na am
gr6Dten. Hier muDte zur Erlangung der erforderlichen Intensitiit die
Gliihstromstiirke derartig schnell gesteigert werden, daB die Folien schon
nach wenigen Einzelmessiingen durchbrannten.
Der Wirkungsquerschnitt w o n Gasmolekulen usw.
11
Diese Folgerungen sind dadurch etwas getrubt, daB die
wahre Voltgeschwindigkeit, welche wir bei Berechnung des betreffenden Kurvenmaximums kennen mussen, nur roh rnit der
angelegten Beschleunigungsspannung P' ubereinstimmt. Wir
muBten daher einen Weg suchen, urn P aus P' genauer bestimmen zu konnen. P und P' unterscheiden sich um die
Zusatzgeschwindigkeit p , welche sich aus Eigengeschwindigkeit
der Emission und dem Kontaktpotential zwischen Gluhfolie
und Schlitzwand zusammensetzt :
(6)
P=P'+p,
P ist andererseits gleich const - J2,so daB wir erhaltent
(7)
const J 2 = P' + p
.
Nach dieser Formel kann man aus dem Versuchsmaterial
fur cin bestimmtes Amalgam und eine festgehaltene Gluhtemperatur fur p einen genugend sicheren Mittelwert finden,
indem man P' als Ordinate uber 52 a,ls Abszisse auftragt. Auf
diese Weise wurde z. B. p fur Li =Folie -Messing zu 4- 0,6 Volt
gef unden .
Hierdurch wird P fur gro5ere Geschwindigkeiten mit gep berechenbar und man erhalt
nugender Genauigkeit als P'
die Moglichkeit, die richtige Wahl von elm mit aller Schiirfe
nachzuprufen. I n Fig. 4 ist eine derartige Nachprufung in der
Form vorgenommen, daB aus Gleichung ( 5 ) fur das betreffende P
und das gewahlte elm das zugehorige H berechnet und zum
Vergleich mit dem H-Werte, der aus der GroBe des benutzten
Stromes J folgt, in Fig. 4 eingetragen ist. Die ifbereinstimmung
dieser Punkte (A A) mit der Kurve beweist dann einwandfrei
die richtige Wahl von elm. Daruber hinaus erhalt man eine
wertvolle Kontrolle uber die Starke des im MeBklfig selbst
herrschenden Magnetfeldes.
Ionenmengen. - Die Schwierigkeit liegt hier in der standigen Variation der Versuchsbedingungen. Die Ionenemission
nimmt meist schnell und ziemlich unregelm5Big ab und ebenso
verandert sich die Beimengung von fremden Gasen und Dampfen
zum eigentlichen MeBgas mit der Zeit. Die Ausfiihrung einer
Wirkungsquerschnittsmessung mu5 daher auf den Zeitraum
weniger Minuten zusammengedrangt und so gestaltet a'erden,
da5 wenigstens die Variation der Ionenemission aus den Ergebnissen herausfallt .
+
12
C. Ramsauer
u. 0. Beeck
Eine solche Messung umfaSt die Aufsuchung der Magnetfelderl) fur die Maxima der Verteilungskurven fur den vorderen
und hinteren Kafig und die Bestimmung der vier Elektrizitatsmengen (il, J,; i,, J,) an der Stelle des Maximums, welche
fur den Druck p1 bzw. p 2 bis sum Eingang der KBfige K , und
K,, also in beide Kafige zusammen oder nur in den hinteren
gelangen. Die Aufsuchung des Maximums wurde durch Verwendung eines passenden Ableitungswiderstandes nach K r u g e r
sehr beschleunigt, indem das fast tragheitslose Fadenelektrometer die Stelle des Maximums bei langsamem Steigen des
Magnetfeldes ohne Aufnahme einer Geschwindigkeitsverteilungskurve~unmittelbar erkennen lBBt. Die Elektrizitatsmengen,
welche in KW und K , aufgefangen werden, also i, - J , und J1
sowie i, - J , und J , wurden gleichxeitig durch je ein Elektrometer an K , bzw. KI, gemessen (i ist die Elektrizitatsmenge,
welche bis zum Eingang von K , gelangt, also die Summe der
Elektrizitatsmengen, welche von den beiden Elektrometern gemessen werden!!). Dies gibt neben der Verringerung der MeBzeit auf die Halfte die Gewahr, daB eine Emissionsschwankung
wahrend der Messung ganz herausfallt, bringt aber einige Unbequemlichkeiten mit sich. Erstens mu13 man die gegenseitige
Influenz der beiden Auffangekiifige beriicksichtigen. Dies geschah dadurch, da13 man zunachst das Elektrometer fur IT,,
welches durch die geringe Aufladung von
nicht merklich
beeinflufit wird, ablas und darauf erdete, so da13 dsnn das
K,-Elektrometer seinen ungefalschten Ausschlag zeigen konnte.
Zweitens muB man das Verhiiltnis der Mengenempfindlichkeiten der beiden Elektrometer, welches sich bei der benutzten
1) Dieses Magnetfeld kann f iir beide KLfige etwas verschieden ausfallen, wenn die Lage der Blende 5 (vgl. Fig. l ) nicht genau dem durch
die Blenden 1, 2, 3 festgelegten Kreise entspricht, doch gelang es uns,
diese Verschiedenheit auf einen unwesentlichen Betrag zu reduzieren.
Dies ist praktisch sehr wesentlich, da nur so ein gleichzeitiges Arbeiten
mit 2 Elektrometern moglich wird. Eine weitere Schwierigkeit kann entstehen, wenn die Maxima der Verteilungskurven sich bei GaseinlaR verschieben. Diese Storung trat bei unseren Versuchen nicht auf oder wurde
jedenfalls dadurch unschiidlich gemacht, daB die Geschwindigkeitsverteilungskurven sich bei GaseinlaD verbreiterten. Niiheree iiber dime
Fragen, welche bei groRerer Versuchsgenauigkeit, als sie hier angestrebt
wird, eine wesentliche Rolle spielen, vgl. E. Briiche, Ann. d. Phys. 82,
1927. S. 916.
Der Wirhungsquerschrcitt von Gasmolekubn usw.
1s
hohen Empfindlichkeit dauernd etwas andert, unter fortwiihrender Kontrolle halten.
Alles in allem gelang es auf diesem Wege, die Messungen
der Ionenmengen so weit zu verbessern, daB von dieser Seite
zu befiirchtende Ungenauigkeiten neben den sonst vorhandenen
unvermeidlichen Fehlerquellen nicht in Betracht kommen.
Gasdruckfragen. - Die Messungen wurden anfangs insofern
in der gleichen ,Weise wie bei der Untersuchung des Wirkungsquerschnitts der Gasmolekule gegenuber langsamen Elektronen
durchgefuhrt, als der Anfangsdrusk p1 = 0 gewahlt wurde.
Hierbei zeigten sich aber sehr starke Schwankungen, besonders
in dem ,,Vakuum"-IntensitiittsverhLltnisJl/il,welche durch die
unregelmiiBige Abgabe von Gasen aus der gluhenden Folie
hervorgerufen wurden. Wir ersetzten daher das Vakuum durch
einen merklichen Gasdruck (pl) und gingen zum Arbeiten in
striimendem Gase iiber, um die von den Gluhfolien abgegebenen
Verunreinigungen in jedem Augenblick fortzuschwemmen. Das
Gas konnte wechselweise aus zwei 500 ccm groBen VorratsgefaBen durch eine enge Kapillare in die Apparatur einstromen.
J e nach der inneren Reibung des betreffenden Gases waren die
Drucke in den VorratsgefGBen verschieden zu wahlen. Bei
Verwendung von Argon z. B. waren bei Drucken von 50 und
75 mm Hg in den VorratsgefaBen die vom Mc Leod im MeBraum angezeigten Drucke 30/10,,,,0 bzw. ~ O / l o o o o mm Hg. Zur
leichteren Veriinderung der Drucke in den VorratsgefaBen
konnten diem durch eine unmittelbare Leitung mit der Pumpe
und durch eine andere Leitung mit dem Hauptgasvorrat verbunden werden. Nach Durchfuhrung dieser Einrichtungen
reduzierten sich die MeBschwankungen auf ein ertragliches MaB.
Die richtige Druckmessung kann noch durch eine Erw5irmung des Gases beeintrachtigt werden. Eine Einwirkung
der Gluhfolie war kaum zu befurchten, da die Folie immer in
groBeren Zeitabstanden nur wenige Sekunden gegluht wurde,
und da ihre Strahlung, die bei der Art der Montierung in erster
Linie in Betracht kommt, von dem wirkenden Weg (W - w)im
Innern des vorderen Klifigs durch zwei Messingwande getrennt
ist. Sie hatte sich durch einen Gang der Werte mit wachsender
MeBzeit bemerkbar machen miissen, was aber nicht beobashtet
worden ist. Dagegen machte sich die Erwarmung des ganzen
Kupferzylinders durch die Nahe der Magnetspulen, welche zum
C. Ramsauer u. 0. Beeck
14
Teil stark belastet werden mufiten, anfangs storend bemerkbar.
Diese Fehlerquelle lie6 sich aber leicht durch die Betatigung
eines Ventilators beseitigen.
Die Messung des Druckes im stromenden Gase mittels
eines in die Nahe des MeBkafigs gefuhrten, mit dem McLeod
verbundenen Rohres erschien bei der Langsamkeit der Stromung
und bei der Kleinheit der benutzten Drucke unbedenklich. Wir
hielten eine direkte Prufung dieser Methoden aber doch fur
wunschenswert. Zu diesem Zwecke kehrten wir die Richtung
der Beschleunigungsspannung und den Sinn des Magnetfeldes
um und versuchten mittels der emittierten Elektronen die bekannte Wirkungsquerschnittskurve des Argons zu reproduzieren.
Die gefundenen Werte zeigten gute Konstanz, lagen aber im
Mittel etwa 6 Proz. hoher als die Originalkurven. Ein bestimmter Grund fur dieses Hoherliegen konnte nicht gefunden
werden, wenn es sich nicht vielleicht um einen EinfluB des
Gluhstrommagnetfeldes auf die Elektronen handelt, welcher bei
den Ionenmessungen ohne Belang ist. Die Abweichung ist aber
in Hinblick auf die sonstigen MeBschwankungen im ganzen so
gering, daS diese Kontrolle der Druckmessung als befriedigend
angesehen werden kann.
IV. Meaergebnisse
Mefibeispiel. - Na+-Ionen gegenuber A -Beschleunigungsspannung 9 Volt - Magnetstrom des Maximums der Geschwindigkeitsverteilungskurve 3,57 Amp., entsprechend 1490
Gauss, entsprechend einer wirklichen Geschwindigkeit von
8,47 Volt bzw. 2.91
- Lufttemperatur 20° C - (K&,
(I<& und ( K h ) 2 bedeuten die Ausschkge der mit K ,
und K , verbundenen Elektrometer bei den Drucken p , und p,.
17,2 7,0
Nittel:
1 17,OI 6,9 I
I
I17,51 4,Q
I
Daraus folgt unter Einsetzung des Mengenempfindlichkeitsverhaltnisses :
Der Wirkungsquerschnitt von Gwrnolekiilen usw.
15
+ 6,9 = 39,9
i,
J,
==17,0*1,94
=
4,
= 17,5.1,94
J,
=
=
6,9
=
=
4,9
0,00380 inm Hg.
+ 4,9 = 38,9
(pz - pi) fir c
00
Diese Werte, auBerdem (W - 20) = 2,06 cm, in die Formel (1)
eingesetzt, ergeben:
1
!7=--*---0,00380
* = 40'5 cms
em3
1
2,06
log nat
-ftir
1 mm Hg
(G+&) ,
:
die Abszisse 2,91
v%&.
Wirkungsquerschnittskurvelz.
Argon (Lit,Na+, K + , Rb+, Cat)
Das verwendete Argon stammte von der Firma ,,Griesheim Elektron".l) In Fig. 7 sind die Messungen fur samtliche
untersuchte Alkalien Li, Na, K, Rb und Cs wiedergegeben.
Die Kurven liegen in Wirklichlieit naher aneinander, sind jedoch
der Obersichtlichkeit wegen auseinandergeruckt, indem die Nulllinie fur jedes Alkali, entsprechend den kleinen Pfeilen senkrecht zur Ordinatenachse, eine andere ist. Die Streuungen der
Punkte sind zum Teil recht erheblich. Bei Betrachtung der
ungunstigsten Einzelfalle, Na und R b in Fig. 7, wiirde man
vielleicht geneigt sein, die Kurven nicht so glatt hindurchzulegen, wie es hier geschehen ist. Der Verlauf der besser me&
baren Nachbarkurven, bei denen die Punkte relativ wenig
streuen, spricht aber auch in diesen beiden Fallen fur einen
glatten Verlauf.
Die MeBergebnisse sind folgende:
1. Der Wirkungsquerschnitt des Argons gegenuber den
Alkaliionen steigt beim Ubergang zu kleineren Geschwindigkeiten anfangs langsam und schlieBlich bei Annaherung an
1 Volt rapide an.
2. Die verschiedenen Alkaliionen zeigen dabei einen mit
der Atomnummer wachsenden Wirkungsquerschnitt.
1) Die kleinen Verunreinigungen der Gase, die bei den Edelgssen
1 Proz. nicht uberschreiten, gehen im Gegensatz zu spektralanalytischen
Versuchen in die Wirkungsquerschnittsmessungennur nach der Mischungsregel ein. Ein Berucksichtigen der Verunreinigungen war daher unnotig.
C. Ramsauer u. 0. Beeck
Argon
1
7
2
3
I
Y
5
-m//
Wirkungsquerschnitt Argon gegen Li, No, K, Rb, Cs
(Man beachte die Versehiedenheit der Nullinien!)
Fig. 7
6
7
Der Wirkungsquerschnitt om Gasmolekukn usw.
17
Helium (Li", K+,Cs+)
Es wurde Helium von der Linde A,-G. verwendet, das
nach Angabe der Firma 99 Proz. He und 1 Proz. Ne enthielt.
Fig. 8 gibt die MeBergebnisse wieder. Die Versuche wurden in
diesem Fall nur auf die 3! Alkalien Li, K und Cs ausgedehnt.
Auch hier sind die Messungen der einzelnen Alkalien der Ober-
E
H€L/UM
1
'\
'v
&
'
I
<
%A -------%-cs+
.
Wirkungsquerschnitt Helium gegen Li, K, Ce
(Man beachte die Verschiedenheit der Nullinien I)
Fig. 8')
sichtlichkeit wegen auseinandergeriickt. Die MeBergebnisse sind
folgende :
1. Genau wie beim Argon ateigt der Wirkungsquersohnitt
beim fjbergang von groBeren zu kleineren Geschwindigkeiten
erst Iangsam und dann schnell an, doch ist der Anstieg bei
Anniiherung an 1 Volt nicht so rapide wie beim Argon.
2. Die verschiedenen Alkalien zeigen wieder einen mit der
Atomnummer wachsenden Wirkungsquerschnitt.
N e o n (Li+, K+,Cs+)
Die Reinheit des benutzten Neons wurde von der Linde
A.-G. zu 99 Proz. angegeben. Bei den in Fig. 9 dargestellten
1) Die K+-Kurve ist wegen ihrer Unsicherheit punktiert gezeichnet.
2
Annalen der Physik. IV. Folge. 87.
18
C. Ramscruer
u. 0.Beeck
MeSresultaten sind wieder die Messungen der einzelnen Alkaiien
auseinandergeriickt . Die MeBergebnisse sind folgende :
1. Die Kurven sind, verglichen mit den Messungen an
Argon und Helium, duroh den flacheren Verlauf charakterisiert.
Doch tritt das schnellere Wachsen des Wirkungsquerschnitts
nach kleineren Geschwindigkeiten hin auch hier deutlich hervor.
NEON
t
2
I
3
-
I
4
Glt
I
5
Wirkungsquerschnitt Neon gegen Li, I(, Cs
(Man beachte die Verschiedenheit der Nullinien !)
Fig. 9
2. Wie in den beiden vorhergehenden Fallen wachst der
Wirkungsquersohnitt der drei untersuchten Alkalien Li, K
und Cs mit der Atomnummer.
Wasserstoff, Sauerstoff, S t i c k s t o f f (K+)
Bei der Ausdehnung unserer Untersuchungen auf die nichtedlen Gase H,, 0, und N, (Fig. 10) verwendeten wir nur
Kaliumionen, einmal weil das Kalium sich im allgemeinen gunstig
verhalten hatte, und andererseits, weil es in der Mitte der ganzen
Der Wirkungsquerschnitt von Gasmolekiileiz usw.
19
Alkalireihe steht. I m ubrigen kam es uns darauf an, neben die
erste Versuchsreihe, die einen uberblick uber das Verhalten
sidmtlicher Alkalien in einm Gas gibt, eine andere zu stellen,
die das Verhalten eines Alkalis in einer ganzen Reihe von
Gasen ergibt. Die verwendeten Gase stammten aus den Gas-
-1
KAL/UM
A
zoo
'.
\ A
A
'f)
<
-a/t
I
2
3
4
Wirkungsquerschnitt H,, 0,, N, gegen K+
Fig. 10
vorraten des Instituts (vgl. S. 8); die Reinheit ist jedenfalls
fur den vorliegenden Zweck mehr als ausreichend. Die Abszissenachsen der in Fig. 10 wiedergegebenen MeBergebnisse
sind fur die einzelnen Gase hier nicht verschohen.
Die MeBergebnisse sind folgende :
1. Die untersuchten Nichtedelgase zeigen den gleichen
typischen Verlauf wie die Edelgase.
2. Der Wirkungsquerschnitt wachst mit der gaskinetischen
GroBe des Molekuls.
2*
20
C. Ramsauer u. 0. Beeck
V. Diekueeion der MeDergebnieee
Veygkich ntit den entsprechenden Ergebnisselz an Ebktronen.
- Die fur Alkaliionen erhaltenen Wirkungsquerschnittskurven
uiiterscheiden sich grundsatzlich von den bekannten Wirkungsquerschnittskurven der Gasmolekule gegenuber langsanien
Elekt,ronen. Wir haben bei der Untersuchung der Ionen stets
denselben gleichartigen Typus, namlich ein erst langsames,
dann schnelleres Ansteigen der Wirkungsquerschnittskurven
nach kleinen Geschwindigkeiten hin, ohne Wirkungsmaxima
und ohne abnorme Durchlassigkeiten wie bei den Elektronen.
Wir brauchen daher auch keine besonderen Erklarungsmoglichkaiten fur diese Kurven zu suchen, sie zeigen vielmehr denjenigen Verlauf, den man - qualitativ wenigstens - bei der
Wirkung einfacher elektrostatischer Krafte erwarten wurde.
Fur die elektrostatische Erklarung spricht auch die weiter unten
besprochene Abhangigkeit der Ionenwirkungsradien von der Gasmolekulgrofie. Wie weit sich diese Annahmen bei einer quantitativen Durchrechnung bestatigen wurden, ist eine andere Frage.
Unsere MeBergebnisse schlieBen nicht aus, daB die Wirkungsquerschnittskurven der Gasmolekule gegenuber Alkaliionen in
underen Geschzuindigkeitsbereic~enahnliche Anomalien zeigen, wie
es bei den Elektronen der Fall ist. Es sei hier an die Diffusionsversuche von Hrn. G. P. Thomsonl) erinnert, welcher fur
H+-Strahlen im Argon und Helium Maximalwirkungen bei
0,75 * 108 cm/sec bzw. 1,4.lo8 cmjsec Lineargeschwindigkeit gefunden hat. Diese Werte haben dieselbe GroBenordnung wie
die Lineargeschwindigkeit bei den betreffenden Elektronenversuchen, was schon Hr. G. P. T h o m s o n hervorhebt.
Falls also doch die Alkaliionen ahnliche Anomalien wie
die Elektronen zeigen sollten, so m r d e man dieselben also
nicht an der Stelle gleicher Voltgeschwindigkeit, vielleicht a,ber
an der Stelle gleicher Lineargeschwindigkeit zu suchen haben.
Danach wurde beispielsweise das Wirkungsmaximum im Argon
fur Li+ bei etwa 170000 Volt zu erwarten sein.
Zur Frage etwaiger Urnladungen. - Da unsere Ionen
Kanalstrahlen kleinster Geschwindigkeiten darstellen, so mussen
auch die Gesichtspunkte der Kanalstrahlphysik in Betracht gezogen werden. I m besonderen wollen wir die Frage stellen, ob
Urnladungen bei unseren Versuchen eine Rolle spielen.
___.~..
.
1 ) G. P. Thomson, On Scattering of Positive Rays by Gases,
Phil. Mag. [7] 2, 8. 1076. Nov. 1926.
Der Widxngsquerschnitt eon Gasmokkukn usto.
21
Derartige Umladungen konnen in zweifacher Weise auftreten, namlich entweder der Art, daB das positive Ion mit
einem freien Elektron oder einem negativen Trager zusammenstoBt und so neutralisiert wird, oder derart, daB das Ion mit
einem neutralen Gasmolekul zusammenstofit und von diesem
ein Elektron empfangt. In beiden Fallen scheidet das Ion aus
dem zu messenden Strahle aus. Die HBufigkeit des ersten Falles
hiingt davon ab, wieviel Elektronen oder negative TrPger sich
auf der Bahn der Ionen befinden. Nimmt man ganz extrem
an, daB jedes aus dem Strahl ausgeschiedene Ion durch StoB
mit einem neutralen Gasmolekul ein Elektron zur Emission
bringt, ohne es selbst aufzunehmen, so wurde man der GroBenordnung nach bei einer Messung etwa 30.106 Elektronen bzw.
negative Trager innerhalb der Meheit (5-10 Sek.) auf der
Strahlbahn im vorderen Kafig erhalten. Bedenkt man, daB
diese negativen Teilchen ja nicht mehr in die Bahn des Ionenstrahles hineingezogen werden, so ubersieht man leicht, daB
gleichzeitig nur eine ganz verschwindende Anzahl von negativen
Teilchen sich auf der Ionenbahn befinden kann, verglichen mit der
Anzahl der Gasmolekule,welche sich f i r das inBetracht kommende
Stuck des Ionenstrahls der GroBenordnung nach auf 80.1012berechnet. Die Wirkung dieser Umladungen wird also neben der
Wirkung der Gasmolekule ganz aul3er Betracht bleiben konnen.
Die zweite oben angegebene Moglichkeit spielt eine ganz
andere Rolle. Eine etwaige neutralisierende Wirkung des
neutralen Gasmolekuls auf das stoBende Ion gehort einfach mit
zu der zu messenden Gesamtwirkung, deren Einzelsummanden
- die festhaltende, die ablenkende und die bremsende Wirkung
-hier noch moglicherweise durch die neutralisierende Wirkung
vermehrt werden, ohne daB man bei unseren Messungen die
Einzelsummanden voneinander unterscheiden konnte. Es muB
also dahingestellt bleiben, ob und wieweit bei unseren Versuchen eine derartige neutralisierende Wirkung mitspielt. Falls
die Neutralisierung nur oberhalb einer gewissen Ionengeschwindigkeit eintritt, indem sonst die Energie des Ions nicht zum LOSreiSen des Elektrons aus dem neutralen Gasmolekul ausreicht,
so muBten unsere Wirkungsquerschnittskurven an der Stelle
der betreffenden Geschwindigkeit einen Kriick zeigen. ES ist
recht zweifelhaft, ob die MeBgenauigkeit unserer Versuche zur
Auffindung eines vielleicht ilicht sehr groBei1 Knicks ausreichen
C. Ramsauer
22
u. 0. Bee&
wiirde, beobachtet sind solche Knicke selbst bei den glattest
verleufenden Querschnittskurven jedenfalls nicht.l)
Vergkich unserer lonenradien mit anderweifig ermittelbn
Ionenradien. - Die folgende Tabelle gibt einen oberblick uber
die auf verschiedenen Wegen erhaltenen Alkaliioneuradien (vgl.
Landolt-Bornstein, I. Erganzungsband 1927, S. 70) :
A l k a l i - I o n e n r a d i e n in
Methode
____
Halber Atomabstand im Metal1 .
Aus Salzkristallen nach Bragg .
Aus Salzkristallen nach Land6 . .
AusdemPermutitvolumen(GuntherSchulze) . . . . . . . . . . .
,,Wahre GroRen" Wurfelmoclell
( F a j a n s u. Herzfeld, Grimm)
L a n d & (1) Model1 (Schwondenwein) . . . . . . . . . . . .
Modellrechnung v. Land6 1920
Aus Molekularrefraktion (Heydweiller 1920) . . . . . . . . .
Aus Ionisierungsspannung (Saha,
1921) . . . . . . . . . . . . .
Aus Hydrationswarme (Born 1920) 1
A m Ionenbeweglichkeit (Leitfahigk.)
Nach Born 1920 (2) . . . . . . .
Ails Diffusion in Hg (Lorenz 1920)
.
AE nach
Herzfeld 1823
= ===
Lit
__
1,51
1,55
1,89
2,15
2,37
0~42) 0,52
0,79
0,91
0,50
0,95
1,13
1,63
..
-
Na+
K+ Rb+ cs+
- - =====.= __
-1,86
1,77 2,07 2,25
1,45 1,65 1,6
191
1,06
0,61
0,87
0,97
1,19
1,31
1,46
1,33
1,49
2,26
0,45
1,65
1,40
1,59
1,74
0,51
1,67
1,67
2,oo
1,17
0,69
2,08
1,73
2,24
1,12
0,77
2,30
1338
2,22
1,11
0,83
2.36
Urn unsere Ergebnisse mit diese Wer !n vc g-leichen zu
konnen, mussen wir- zuniichst von dem Wirkungsquerschnitt auf
die Sumrne der Wirkungsradien iibergehen, wobei nach Formel (2)
~
1) Hr. A. J. Dempster (Proc. of Nat. Acd. of Sciences Sept. 1925)
findet schon bei Kanalstrahlen von 900 Volt keine Umladungen mehr.
Die von Hrn. P. L e n a r d i n metallhaltigen Flammen erhaltenen Umladungen, welche schon bei sehr kleinen Geschwindigkeiten durch bloDe
Niihewirkung eintreten, haben imofern einen anderen Charakter, als cs
sich hier nach El. N. d a C. Andrade hauptsachlich um einen ZusammenstoB der Ionen mit den Metallatomen, nicht mit den neutralen Gasatomen
handelt (vgl. El. N. d a C. Andrade, Wss. Heidelberg 1911, sowie Phil.
Mag. 24, 8. 35. Juli 1912).
2) Der Wert fur Li+ ist der graphischen Darstellung von H. G. Grimm
im Geiger-Scheelschen Handbuch, Bd. XXIV, 8. 475 entnommen. Es
hmdelt sich hierbei im Gegensatz zu den iibrigen Alkalien um eine als
unsicher bezeiohnete SchLtznng.
Der Wirlouqsquerschnitt won Gasrnolekiilen usw.
23
zu setzen ist. Mehr als diese Summe liefern aber unsere Versuche nicht. Wollen wir dariiber hinaus den Ionenradius selbst
angeben, so mussen wir eine letzten Endes willkurliche Annahme uber den Gasradius machen. Wir wollen den Gasradius aus den Angaben der kinetischen Gastheorie berechnen,
d. h. wir nehmen an, daB der Wirkungsradius des Gasmolekuls
gegeniiber den Alkaliionen der gleiche ist wie gegenuber einem
neutralen Molekul desselben Gases. Durch Abziehung dieses
Gasradius von der Radiensumme erhalten wir dann den
Wirkungsradius des Alkaliions.
Es sei hier ausdrucklich hervorgehoben, daB wir der hier
benutzten Annahme keine zu weitgehende Bedeutung beilegen
durfen. Wir vernachlassigen niimlich nicht nur die Wirkung
der Ionenladung und den EinfluB der abnorm hohen Relativgeschwindigkeit bei unseren Versuchen, sondern begehen auBerdem eine Art logischen Fehlers, da eine solche Radiensumme
gar nicht in ihre Einzelsummanden getrennt werden kann.
Denn in Wirklichkeit liegen gar keine Einzelsummanden von
einfacher raumlicher Bedeutung vor, was man auch unmittelbar daran erkennt, daB der nach unserer rohen Betrachtungsweise eingefiihrte K+-Radius keine AbsolutgroBe ist, sondern
gegenuber verschiedenen Partnern verschieden auefiillt (vgl.
S. 27ff.). Wenn wir unseren Gedankengang trotzdem in dieser
Form durchfiihren, so geschieht dies nur zu dem Zweck, urn
eine gewisse, wenn auch sehr rohe Anschauungsform zu gewinnen. Diese Bemerkung gilt auch fur die folgenden beiden
Abschnitte.
Die so erhaltenen Radien konnten wir jetzt fur bestimmte
Voltgeschwindigkeiten und fur die verschiedenen Gase in die
obige Tabelle eintragen. Eine ffbereinstimmung mit den Werten
der Tabelle ist hierbei nicht zu erwarten, da alle Radien der
Tabelle sich ale ,,Wirkungsradien" auf je eine ganz besondere
,,Wirkung" beziehen. Eine Art von Absolutbedeutung haben
nur die ,,wahren GroBen", d. h. die wirklichen Radien der
LuBeren Elektronenschalen. Mit diesen Werten wollen wir
daher die von uns gefundenen Wirkungsradien der Alkaliionen
etwas niiher vergleichen. Wir tragen zu diesem Zwecke die
experimentell gefundenen Radiensummen als Ordinaten, und
zwar uber der Geschwindigkeit in Volt auf (Figg. 11, 12, 15);
durch die Wahl dieser Abszisse erhalten wir ein gleiches MaS
-t-
C. Ramsauer u. 0. Bee&
24
fur alle Ionen, wiihrend die Auftragung in )/Volt eine versohiedene Gesohwindigkeitsbedeutung fur die versohieden
schweren Ionen hat. In diese Diagramme zeiohnen wir horiHfL IUM
3 -
He/iumraadiusMint
' fI
I
m
-+bit
I
20
Fig. 11
Ah'GON
1-
I
f0
I
20
I
30
I
w
-
I
50
YO/t
Fig. 12
Figg. 11 und 12: Zerlegung der gefundenen Radiensummon
zontale Geraden in der Ordinatenhohe der gaskinetisohen
Atomradien ein, so daS die Diagramme neben den Radiensummen auch die Ionenradien als Ordinaten uber dieser neuen
-
Der Wirkungsquerschnitt von Gasmolekiibn usw.
25
Nullinie ergeben. Endlich markieren wir an der rechten Seite,
von dieser neuen Nullinie an gerechnet, die ,,wahren GroBen"
der Ionenradien nach der Tabelle. l)
Eine Gleiohheit in den Absolutwerten zwischen unseren
Radien und den wahren GrolSen wird man, auch ganz abgesehen
von der Unsicherheit der obigen Annahmm iiber die Wahl des
Gasradius, in Hinsicht darauf, da5 der Wirkungsredius gegenuber den Gasmolekulen und der Radius der auBeren Elektronen-
Neon
3
t
L
10
20
3u
h/t
Zerlegung der gefundenen Radieneummen
Fig. 13
schale ja etwas ganz Verschiedenes sind, nicht erwarten
konnen. Immerhin besteht kein Widerspruch gegen die Annahme, da5 unsere Radienkurven sich den wahren GroBen
mit steigender Geschwindigkeit zunlohst annahern ; nur bei A
wurde diese Auffassung fur Li+ und bei He fiir Lif und Cs+ eine
merkliche Tieferlegung des Argon- bzw. Heliumradius verlangen.
1) Bei nochmaliger Durcharbeitung des experimentellen Materials ist
der Verlauf der Querachnittkurven in den Figg, 7, 8, 9, 10 z. T. etwas
anders ausgeglichen, wie es bei dem ersten Vortrag der Hauptergebnisse
(S. 1, Anm. 1) der Fall war. Infolgedessen hitben sich such die Kurven
der Figg. 11, 12, 13, 15 gegenuber der ersten Veroffentlichung etwas verschoben, ohne daD jedoch das Gesamtbild dadurch merklich geiindert wird.
26
C. Ramsauer u. 0. Bee&
2
?
I
1
Li+
c
,/"______-
---x
--x-----
/
d
I0
20
30
48
50
Atoomnumrner
do
Vergleich der gefundenen Ionenrsdien (00 )mit den Radien der
iiuderen Elektronenschalen ( x x )
Fig. 14
bC \
.
KAUUM'
i
70
I
20
I
3Q
I - - . - . - - I
4u
Zerlegung der gefundenen Badieneummen
Fig. 15
h/i
50
Der Wirkunppuerschnitt won Gasmolekulen usw.
27
Wesentlich einwandfreier ist der Vergleich fur den Gang
der Groben, da hier die obigen Bedenken fortfallen. I n dieser
Beziehung entspricht tatsiichlich ein groBerer und ein kleinerer
. Abstand in unseren Kurven stets auch einem groBeren oder
kleineren Abstand in den ,,wahren GroBen". Besonders deutlich wird dies an dem Linienzuge der vorstehenden Fig. 14, bei
welcher unsere Ionenradien fur 16 Volt, wo der individuelle
Anfangsverlauf der Kurven schon ausgeglichen ist, uber den
Atoinnummern als Abszisse gezeichnet sind. Die Linienzuge
sind so auffallend ahnlich, da% ein innerer Zusammenhang
zwischen den beiden Wertegruppen bestehen mul3.l)
Die so gefundenen Zusammenhiinge konnen kaum zufallig
sein, es moge aber doch an dieser Stelle betont werden, daB
die Berechnung der ,,wahren GroBen" noch auf einer zu unsicheren Grundlage beruht, als da% man diesen Zusammenhangen schon jetzt eine groBere Bedeutung beimessen durfte.
Vergleich unserer Gasmolekulwir~ulzgsradienmit den gaskinelkchen Radien. - Bisher behandelten wir verschiedene
Alkalien in einem Gase, jetzt sollen verschiedene Gase gegenuber einem Alkaliion und zwar gegenuber K+ betrachtet
werden (Fig. 15). Die Darstellungsform ist dieselbe wie in den
Figg. 11, 12, 13, nur ist jetzt der Kf-Radius der Tabelle (,,wahre
GroBen") a*lspunktierte Nullinie fur die Gasmolekulwirkungsradien eingetragen. Rechts sind jetzt die gaskinetischen Radien,
von dieser neuen Nullinie aus gerechnet, vermerkt.
Die Gage zeigen fur kleipe Geschwindigkeiten durchaus
individuelle Eigenschaften in der mehr oder minder groDen
Steilheit des anfanglichen Abfalls, bei etwa 16 Volt haben sie
aber alle einen ahnlichen flachen Verlauf erreicht. Will man
wieder die rechts verzeichneten Radienwerte als vorlaufige
Endwerte des Kurvenverlaufs betrachten, so ware darauf hinzuweisen, daB die verschiedenen Gaskurven diese Werte erst
bei sehr verschiedenen Geschwindigkeiten erreichen. Lassen
wir diesen Vergleich der AbsolutgroBen als weniger sicher beiseite, so ist auch hier als bemerkenswert zu konstatieren: Der
Gang der Kurvenabstande untereinander ist bei etwa 16 Volt
bis in die Einzelheiten der gleiche wie fur die Radienwerte
der kinetischen Gastheorie.
1) Der Radius der LuBeren Elektronenschde fiir Li+ ist nach der
Fig. 14 zu hoch eingeKtzt (vgl. S. 22 Anm. 2).
C. Ramsnuer ec. 0. Beeck
28
lonenwirkungsradien und Gasmolekiilgrofle. - Wie man
schon aus Fig. 15 herauslesen kann, ubertrifft die Summe der
Wirkungsradien die Summe von K+ ,,wahre GroSe" plus
Gasmolekulradius gaskinetisch urn so mehr, je groBer das be-
7
Gas-Radius h?heL/hem. 1'0-8
2
K+-Radius in Abhingigkeit Tom Gasradius kinetisch
Fig. 16
K'
-
-Fig. 17
treffende Gasmolekul ist. Diese Ersoheinung wird in Fig. 16
noch einmal besonders verdeutlicht , indem der K+-Radius, gerechnet von der gaskinetischen Molekulgrenze, uber einer den
gaskinetischen Molekulradien entspreohenden Abszisse aufgetragen ist.
Der Wirkungsquerschnitt Do n Gasmolekulen usw.
29
Der Verlauf zeigt, daB der Wirkungsradius des K+-Ions
um so groBer ausfallt, je grol3er das neutrale Molekul ist und
daB er sich fur die MolekulgroBe 0 einem Grenzwert zu
niihern scheint der mit K+ ,,wahre GroBe" zusammenfallt.
Die innere Bedeutung dieser Kurve wird durch Fig. 17 anschaulich gemacht. Das K+-Ion bestreicht in der GroBe des
Tabellenwertes einen zylindrischen Raum. Daneben sind die
neutralen Molekule in ihrer gaskinetischen GroBe gezeichnet und
zwar in derjenigen Entfernung, in der eine merkliche Wechselwirkung zwischen positivem Ion und neutralem Molekul gerade
eintritt. Das obige Ergebnis ist nach dieser Figur sofort verstiindlich, wenn man die Wechselwirkung als einfache Influenzwirkung auffaBt. Diese muB namlich um so groBer werden,
je groBer die neutrale Kugel ist, und muS bei dem Zusammenschrumpfen der neutralen Kugel auf 0 ebenfalls verschwinden.
Das Auftreten des Radius der auBeren Elektronenschale
als Grenzwert unserer Messungen fur ein neutrales Gasmolekul
von der EigengroBe 0 ist als die wertvollste Beziehung zwischen
unseren experimentellen Messungen und den theoretisch berechneten Schalenradien amusehen, da wir hier auch den
logischen Zusammenhang vor Augen haben. Allerdings darf
auch dieses Ergebnis nicht ubersch&tzt werden, da es von der
Willkur in der Wahl der Gasmolekulradien und von der Unsicherheit in der Berechnung der Schalenradien abhangt.
Sieht man von allen theoretischen Deutungen und Vergleichen ab, so bleibt als Resultat dieses Abschnitts die experimentelle Tatsache bestehen, daB die Summe der Wirkungsradien zwischen den neutralen Gasmolekulen und dem K+-Ion
den gaskinetischen Radius des Molekuls um so mehr ubertrifft, je grol3er dieser an sich sohon ist.
Zusammenfaeeung
1. Die bekannte magnetische Methode zur Messung des
Wirkungsquerschnitts neutraler Gasmolekule gegenuber langsamen Elektronen wird auf die Messung des gegenseitigen
Wirkungsquerschnitts neutraler Gasmolekule und langsamer
Alkaliionen angewandt, wobei durch eine Reihe von experimentellen VorsichtsmaBregeln der erhohten Schwierigkeit dieses
Versuchsgebiets Rechnung getragen wird. - Als Ionenquelle
dient ein gegluhter, mit Alkaliamalgam beschickter Streifen
Pt oder Pt-Ir.
30
C. Ramsauer u. 0. Beech. Der Wirluungsquerschnitt usw.
2. Zur Untersuchung gelangten die Alkalien Li, Na, K,
Rb, Cs und die Gase He, Ne, A; H,, 0, und N,, und zwar A
gegenuber allen Alkalien, He und Ne gegenuber Li, K, Cs;
K gegenuber allen genannten Gasen. - Der untersuchte Geschwindigkeitsbereich liegt zwischen l und 30 Volt. - Die Mel3ergebnisse konnen entweder i n der Form des gegenseitigen
Wirkungsquerschnitts oder in der Form der gegenseitigen
Wirkungsradiensumme dargestellt werden.
3. MeBergebnisse :
a) Abhangigkeit von der Geschwindigkeit : Die Wirkungsquerschnittskurven aller Kombinationen steigen von grol3eren
Geschwindigkeiten her (z. B. 30 Volt) erst langsam, dann
iinmer sohneller an und wenden sich zwischen 2 und 1 Volt
steil aufwarts.
b) Abhangigkeit von der Wahl des Alkaliions: Fur eine
gegebene Geschwindigkeit, z. B. 16 Volt, liegen die Wirkungsquerschnittskurven um so hoher, je grol3er die Atomnummer
des Alkalis ist.
c) Abhangigkeit von der Wahl des Gasmolekuls: Fur eine
gegebene Geschwindigkeit, z. B. 16 Volt, und ein gegebenes
Alkaliion ubertrifft die gefundene Radiensumme den kinetischen
Gasmolekulradius um so mehr, je grol3er dieser an sich schon ist.
4. Die erhaltenen Ergebnisse werden mit den Ergebnissen
verwandter Gebiete verglichen. Insbesondere wird der Versuch
gemacht, die gefundenen Radiensummen mit der Summe aus
dem Radius der BuBeren Elektronenschale des Alkalis und dem
gaskinetischen Radius des neutralen Molekuls in Zusammenhang zu bringen. Es ergeben sich hier Beziehungen, welche
eine gewisse Bedeutung zu haben scheinen, welche zunachst aber
noch nicht als genugend gesichert betrachtet werden durfen.
Zum Schlusse sprechen wir der Helmholtzgesellschaft und
der Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft fur die uns
bei dieser Arbeit gewahrten Unterstutzungen unseren besten
Dank aus.
D a n z i g - L a n g f u h r , Physikalisches Institut der Techn.
Hochschule, Juni 1928.
(Eingegangen 7. Juli 1928)
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